海冰密集度卫星遥感反演研究进展

海冰密集度是海冰的重要参数之一,在冰区导航、海上作业、海冰模式验证和气候模型改进等方面具有重要意义。卫星遥感具有覆盖范围广、重访周期短、成本相对低等优势,已成为获取海冰密集度的主要观测手段。本文从主被动微波遥感和光学遥感的角度,回顾了现阶段海冰密集度卫星遥感反演研究进展情况,包括海冰监测传感器、海冰密集度反演算法和海冰密集度产品等。结果表明,被动微波遥感是目前获取海冰密集度的主要方式,已发展出许多成熟的业务化算法;主动微波遥感数据已成为制作冰情图的主要数据源,海冰密集度反演算法由合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）图像分类向深度学习算法发展;光学遥感海冰密集度算法较为成熟,但受限于云层和夜晚限制,其反演结果多用于其他海冰密集度产品的验证。受传感器硬件限制,3种观测手段各有其长处与不足。为获得高精度、高时空分辨率的海冰密集度数据,开展多源数据融合研究是解决传感器性能瓶颈的有效手段。大数据时代,基于深度学习的海冰密集度卫星遥感反演技术快速发展,需要深度融入海冰密集度卫星遥感领域知识。海冰密集度卫星遥感反演应着力于海冰预报服务,致力于提高我国的海冰预报能力。     

国外导航卫星的反射信号在海洋遥感中的应用分析

为了详细了解国外导航卫星反射信号(GNSS-R)新技术在海洋遥感方面的研究进展,在外文文献调研的基础上,详细阐述了GNSS-R的反射率和双基雷达两种方法在海洋监测应用的遥感技术原理,介绍了海面风场遥感、海冰遥感和海面测高等方面的的理论模型和方法。高空间分辨率和高时间分辨率是导航卫星反射信号在海洋中应用的最大优势。虽然GNSS-R的海洋气象要素反演技术只有十几年的发展历史,但是它已经在海洋天气预报和全球气候变化等领域显示出广阔的应用前景和巨大潜力,未来必将成为海洋大气探测的重要技术手段。     

基于Mohr-Coulomb准则的黏弹-塑性海冰动力学本构模型

针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移、重叠和堆积特征,在连续介质力学基础上建立了一个黏弹塑性海冰动力学本构模型.该模型主要包括四部分,即海冰在屈服前的Kelvin Vogit黏弹模型、海冰塑性屈服的Mohr Coulomb准则、屈服后相关联的正交流动法则和影响海冰强度的静水压力.采用黏弹塑性本构模型对规则海域内的海冰堆积过程进行了数值试验,其结果与传统黏塑性模型、改进的黏塑性模型和经典冰坝理论的解析解相符,可合理地模拟海冰堆积的动力过程.为进一步检验该黏弹塑性本构模型的适用性,对渤海海冰的动力过程进行了48h的数值模拟,计算结果与海冰卫星遥感现场观测资料一致.通过与传统的黏塑性和改进的黏塑性模型结果的对比分析,进一步验证了黏弹塑性模型在中小尺度海冰动力学模拟中的可靠性.在以上海冰堆积的数值试验和渤海海冰动力学模拟中均采用了光滑质点流体动力学(SPH)方法.     

基于GPS反射信号技术的渤海海冰实验

传统的海冰检测手段都存在着受天气影响或实时检测成本太高的缺点,为了更实时有效的检测海冰,减轻海冰灾害对于我国的影响,并达到防灾减灾的目的,本文研究了GPS反射信号(GPS-R)技术检测海冰的可能性。通过对2013年2月下旬在中国天津渤海湾的岸基架设GPS信号接收机所接收的观测数据进行分析,使用不同特性的反射海域(几乎全为海水或是海冰)的数据进行比对分析,其结果显示极化比值(反射左旋信号与直射右旋信号的比值)能够明显反演海冰密集度。本文首次将GPS-R技术应用于国内自主设计的渤海海冰检测实验中。     

海冰运动研究进展综述

对海冰运动研究的主要进展进行综合评述:概述了海冰运动学研究的发展情况,重点对海冰运动的数值模拟、浮标观测、卫星遥感、雷达图像监测和数字图像监测等技术的发展历程和关键研究成果进行总结,并根据近几十年海冰运动发展现状,立足于实际需求,考虑技术发展水平,讨论海冰运动未来研究趋势。基于现场和遥感观测开发具有更高时间、空间分辨率的海冰运动模式将是未来研究侧重的方向。     

Landsat-8 与GF-1 卫星渤海海冰探测能力对比研究

为更有效地利用Landsat-8和GF-1卫星进行渤海海冰监测,从海冰检测和海冰类型识别两方面,开展Landsat-8与GF-1卫星的渤海海冰探测能力对比分析研究。实验研究表明,在海冰检测方面,GF-1区分海冰与海水的能力强于Landsat-8;在海冰类型识别方面,Landsat-8识别海冰类型的能力要强于GF-1影像。初步讨论了综合利用Landsat-8与GF-1卫星监测渤海海冰的方案。     

GNSS-R信号测量海面有效波高的应用

全球导航卫星系统反射信号GNSS-R(Global Navigation Satellite System Reflection)可以用来探测海面状态,如海面有效波高。介绍了利用GNSS反射信号测量海面有效波高的观测设备和技术原理,对2009年博贺实验的数据进行了分析,证实了反射信号相关复数场的有效相关时间与有效波高之间存在相关,利用前期观测的数据进行拟合,得出反演公式,并与测波雷达数据进行了结果对比,平均误差0.136m,相对偏差12.02%,均方根偏差0.169m。     

地球系统模式FIO-ESM对北极海冰的模拟和预估

评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)的历史实验对北极海冰的模拟能力,分析了该模式基于CMIP5未来情景实验在不同典型浓度路径(RCPs,Representative Concentration Pathways)下对北极海冰的预估情况。通过与卫星观测的海冰覆盖范围资料相比,该模式能够很好地模拟出多年平均海冰覆盖范围的季节变化特征,模拟的气候态月平均海冰覆盖范围均在卫星观测值±15%范围以内。FIO-ESM能够较好地模拟1979-2005年期间北极海冰的衰减趋势,模拟衰减速度为每年减少2.24×104 km2,但仍小于观测衰减速度(每年减少4.72×104 km2)。特别值得注意的是:不同于其他模式所预估的海冰一直衰减,FIO-ESM对21世纪北极海冰预估在不同情景下呈现不同的变化趋势,在RCP2.6和RCP4.5情景下,北极海冰总体呈增加趋势,在RCP6情景下,北极海冰基本维持不变,而在RCP8.5情景下,北极海冰呈现继续衰减趋势。     

Radarsat卫星渤海海冰监测研究

加拿大Ｒａｄａｒｓａｔ雷达卫星只有７种工作模式,是专门为海冰业务监测设计的。１９９９年１月我们预订和获取了两模式雷达卫星数据,对我国渤海海冰进行了监测研究,两种模式各有优点,ＳｃａｎＳＡＲ模式可用于对整个渤海地区的全面监测,而利用宽幅的高分辨率图象可得到渤海海冰的详细特征结果。同时在研究过程中对辽东湾海冰和沿岸冰进行了实地观测,为解译提供了重要依据。     

“国际冰厚监测计划”简介

国际气候研究计划（WCRP）最近计划在南极和北极地区组织实施国际冰厚监测项目,该项目由世界气象组织（WMO）和国际科联（ICSU）组织实施。 海冰在气候变化中对控制高纬度地区大气和海洋中的热交换,驱动海洋中的温盐环流起着重要作用。海冰作为巨大的冷源对全球气候变化的影响已引起全球海洋学界和气候学界的极大关注。对海冰范围,密集度和厚度的长期观测是发展和试验全球大气-海洋-海冰耦合模式的重要基础。 海冰范围和密集度的观测,自1972年美国NOAA系列卫星和Nimbus系列卫星装载了甚高分辨率辐射仪（AVHRR）和微波辐射仪以来,比较成功地解决了海冰密集度和海冰外缘线的监测问题。但冰厚观测必须现场进行。冰厚也是确定热量收支和流变学重要的参数。所以是当今关于研究海冰自身变化及全球气候变化中的重要难题之一。目前仅有一些分散的零星海冰厚度观测资料,不能满足在全球冰-气-海耦合模式中的所需要求。     

对地球系统模式FIO-ESM同化实验中北极海冰模拟的评估

本文评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于集合调整Kalman滤波同化实验对1992-2013年北极海冰的模拟能力。结果显示:尽管同化资料只包括了全球海表温度和全球海面高度异常两类数据,而并没有对海冰进行同化,但实验结果能很好地模拟出与观测相符的北极海冰基本态和长期变化趋势,卫星观测和FIO-ESM同化实验所得的北极海冰覆盖范围在1992-2013年间的线性变化趋势分别为-7.06×105和-6.44×105 km2/(10a),同化所得的逐月海冰覆盖范围异常和卫星观测之间的相关系数为0.78。与FIO-ESM参加CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)实验结果相比,该同化结果所模拟的北极海冰覆盖范围的长期变化趋势和海冰密集度的空间变化趋势均与卫星观测更加吻合,这说明该同化可为利用FIO-ESM开展北极短期气候预测提供较好的预测初始场。     

MODIS渤海海冰遥感资料反演

鉴于渤海海冰监测和预报对海冰卫星遥感数字化产品的迫切需求,本文利用MODIS的1B级数据进行渤海海冰参数反演,提供海冰遥感图像和海冰密集度、冰厚数值产品,作为渤海海冰监测和海冰数值预报初始场的重要信息来源,以及海冰预报质量检验的参考依据之一。反演结果表明,其各通道对海冰性质有很好的反映,资料信号比较稳定,对不同密集度和厚度的冰有较好的区分,相对NOAA/AVHRR和HY-1A资料有更好的实际应用价值;Terra/MODIS和HY-1A/COCTS海冰遥感反演结果对比也为HY-1A系列卫星海冰遥感的改进和提高提供有益的启示。     

卫星遥感海冰监测系统在渤海海冰监测中的应用

海冰是渤海冬季常见的一种海洋灾害,对渤海海冰的监测是海洋防灾减灾的重要一环.本文初步分析了卫星遥感监测渤海海冰的能力,介绍了一种结合多遥感卫星数据源的海冰监测系统的搭建方法,该系统实现了从数据输入、预处理直至海冰信息提取、成果输出全过程的处理功能.最后介绍了该系统建成后在2010-2011年冬季渤海海冰监测中的应用情况...     

“北京一号”小卫星图像在渤海海冰监测中的应用

利用“北京一号”小卫星全色和多光谱影像对冬季渤海海冰进行了监测。根据多光谱谱段特征和现场测试的海冰光谱之间的对应关系, 建立了卫星影像冰水识别、渤海海冰外缘线的模型, 估算了海冰面积及判别海冰发展趋势;对卫星影像数据进行监督分类, 建立了相应的分类模型;根据海冰类型的不同将海冰区域进行了划分, 并作为对海冰灾害严重程度的判别依据;以2007年度冬季为例, 对渤海海冰的分布面积进行了统计, 与海冰监测业务中使用的MODIS数据反演结果进行了对比, 对比结果显示“北京一号”卫星可以为海洋监测和预报服务部门提供高分辨率海冰遥感信息, 并为我国海冰灾害的防范提供可靠有效的资料。     

用AMSR数据极化比PSSM算法检测渤海海冰边缘线

利用高级微波扫描辐射计数据和冰间湖信号模拟算法探测渤海海冰,提取海冰外缘线信息。探测的海冰边缘线与Jason-1高度计海冰探测结果和ENVISAT ASAR海冰探测结果做比较,验证了该方法的有效性。     

渤海海冰现场监测的数字图像技术及其应用

在渤海冰区油气开发中,海冰给平台结构、油气运输和施工作业带来很大影响。油气作业区海冰参数精确、连续、实时的现场监测对分析油气开发的可靠性、检验海冰数值模式、校正海冰卫星遥感数据具有重要意义。针对渤海油气作业区的海冰运动和分布特性,通过数字图像技术对海冰的厚度、运动速度和密集度三个参数的提取进行了算法开发和软件研制。在2009-2010年采用该海冰数字图像监测软件对渤海辽东湾JZ20-2油气作业区的海冰参数进行了全冰期的连续监测,获得了翔实可靠的海冰厚度、密集度和冰速等海冰监测资料。现场监测应用表明,该海冰数字图像监测软件具有操作性强、精确度高、可靠性好的优点。该监测技术进一步完善后可广泛应用于渤海油气作业区的海冰现场监测,成为海冰业务化现场监测的重要组成部分。     

渤海海冰季节演变的数值模拟

MM5数值产品作为大气强迫,利用冰-海洋耦合模式模拟2003～2004冬季渤海海冰演变过程。与海冰遥感、海洋站监测资料等实测资料相比,初冰日和终冰日和观测数据比较接近,模拟海冰各个发展阶段主要分布特征和MODIS遥感图像相似,但模拟的海冰厚度与辽东湾93平台、202平台的冰厚观测数据相比存在较大出入,说明该模型还有待改善。总体上看,冰-海洋耦合模式基本具备模拟渤海海冰季节演变过程的能力。     

渤海海冰中太阳辐射的光谱特征观测研究

通过采用多光谱仪器,对渤海营口港一带的近岸固定冰进行了3个站位11个谱段的入射辐射、反射辐射和透射辐射随时间变化过程的观测和研究。结果表明,发生在海冰中的反射辐射和透射辐射与入射太阳辐射的谱分布有明显差别,而且有显著的日变化。文章确立了入射辐射、反射辐射和透射辐射随时间的变化与太阳高度角的正弦成精确的线性关系,海冰的积分反照率与太阳高度角的正弦满足二次函数关系,可将不同时刻的观测值归算到正午时刻的辐射值,使不同时刻的观测结果具有可比性。计算结果表明,海冰只衰减特定强度的辐射,衰减量与入射辐射光谱分布以及辐射的强度无关,导致绿光的透射辐射最强。该文是对渤海海冰透射辐射的初步尝试,所获得的结果对未来大范围海冰光学观测打下了基础。     

“海洋1号”卫星在海冰监测和预报中的应用

“海洋1号A”卫星是我国发射的第一颗海洋卫星.2002~2003年冬季,该卫星首次应用于我国渤海海冰监测和预报.建立了从卫星1B级数据开始的海冰反演系统,提供海冰遥感图像和海冰密集度、冰厚与冰外缘线数值产品,作为渤海海冰监测和海冰数值预报初始场的重要信息来源,以及海冰预报质量检验的参考依据之一.介绍所发展的“海洋1号A”卫星海冰反演系统的流程、算法和反演参数,海冰反演结果,及其在渤海海冰监测和预报中的应用.     

一种基于变分优化的逐步订正法在海冰密集度分析中的应用

卫星遥感获取的海冰密集度观测资料中包含着空间多尺度信息。然而，多数传统的数据同化方法难以在海冰密集度变化较为复杂的海冰边缘区有效提取这些多尺度信息。为解决上述问题，本文设计了一种基于变分优化的逐步订正分析方法—空间多尺度递归滤波，该方法是逐步订正分析与最小化算法的结合，它能够从长波到短波依次提取观测中的各种空间尺度信息。与传统的客观分析相比，这种基于变分的多尺度分析方法不仅能够在最小化过程中一次性的提取出观测中的多尺度信息，而且能够方便合理的进行参数配置。单观测点同化试验的分析结果表明，空间多尺度递归滤波方法具有良好的观测信息空间传播能力。随后在二维海冰密集度的分析试验中，该方法能够较好的提取SSMI海冰密集度观测资料中的空间多尺度信息，进而获得高精度的海冰密集度分析结果。